交通源颗粒物对小区内环境的影响

乔文佳贺启滨齐亚茹刘艳华

1西安交通大学人居学院

2深圳市建筑科学研究院有限公司

交通源颗粒物对小区内环境的影响

乔文佳1贺启滨2齐亚茹1刘艳华1

1西安交通大学人居学院

2深圳市建筑科学研究院有限公司

利用湍流k-ε模型及离散相模型（DPM）研究了小区外交通源（线源）排放颗粒物对小区内环境的影响。对比分析了有、无围墙情况下，小区内环境受交通源污染物的影响状况。结果表明：围墙对颗粒物有很好的阻挡作用。因围墙的存在，颗粒物大部分积聚在小区外、围墙附近。虽然部分颗粒物能够进入小区，由于其浓度很低，小区环境基本不受影响。但是，无围墙存在时，颗粒物无阻挡地进入小区，小区受交通源颗粒物的影响很大，特别是前排建筑物的迎风面和绕流区域。

交通源颗粒物 小区内环境 围墙 离散相模型

0 引言

机动车保有量的持续增加，不仅带来了城市中心区域交通拥堵等严重问题，与此同时也带来了交通源污染的持续攀升[1～2]，对城市环境造成严重损害。交通源排放的污染物不仅包括气态污染物（CO、SO2、NOx等），也包括固态颗粒物。研究表明，颗粒物可引起呼吸系统疾病、心脑血管疾病等多种疾病。Dockery等在一项对哈佛六城市长期颗粒物污染的研究中，指出：居住在浓度大的城市增加30%心血管疾病死亡的危险[3]；Dominici等分析了204个美国城市的医疗数据，指出PM2.5的浓度每增加10ug/m3，缺血性心脏疾病入院人数增加0.44%，脑血管疾病0.81%，外周动脉疾病0.86%，心律失常0.57%，心脏衰竭1.28%[4]。

近年来，针对交通源气态污染物对城市环境的影响研究已经较为深入，这其中包括现场实测[5～6]、风洞实验[7]、数值模拟[8～9]。针对交通源固态颗粒物污染的研究还较少，并且相关研究主要集中于街道峡谷中颗粒物的扩散[10～11]，但交通源颗粒物对临街小区环境是否同样有影响，对此问题却很少有人研究。故本文建立小区物理模型研究在有无围墙两种情况下，道路交通源颗粒物对小区环境的影响问题。

1 物理模型

本文的物理模型如图1。该小区由四栋建筑物组成，各建筑物尺寸相同。建筑物长、高、宽皆为10m；各建筑左右、前后间距都是10m；当小区有围墙时，围墙高度为2m，围墙距建筑物10m。距离围墙5m有道路。假设道路上车辆污染源为线污染源，位于地面。污染源的长度为50m，宽度为1m。当小区无围墙时，除了去除围墙外，其参数相同。计算区域选择为：入口距离围墙150m，出口距离围墙250m，左右侧距离围墙皆为100m，高度为50m。采用非结构网格，并在壁面及其附近区域进行网格加密。加密区域为距离围墙外各10m、高度20m的立方体。图2为结果分析剖面所在位置的示意图。

图1 有围墙小区结构图

图2 剖面示意图

2 控制方程与边界条件

2.1 控制方程

本文采用标准k-ε模型模拟风场运动。

连续方程：

动量方程：

k和ε输运方程：

式中：vt=Cμk2/ε，Cμ=0.9，Cε1=1.41～1.45，Cε2=1.91～1.92，Ck=0.09～0.11，Cε=0.07～0.09。

本文应用拉格朗日方法跟踪颗粒物的运动。对于颗粒相本文做如下假设：①假定所有颗粒相都为球形；②由于颗粒相所占体积比率十分小，所以不考虑颗粒的碰撞。通过对颗粒所受的各种外力平衡方程可以得到预测颗粒的运动轨迹运动方程如下：

式中：FD(u-up)为颗粒的单位质量曳力，表达式为

式中：u为流体项速度；up为颗粒速度；μ为流体动力粘性系数；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度（骨架密度）；dp为颗粒直径；Re为相对雷诺数。

式中：Fx为颗粒所受的其它力，包含布朗力FB和萨夫曼力FS，即Fx=FB+FS。

布朗力表征的是微小颗粒热运动所受的力，粒径越小，布朗力越大，其表达式如下：

S0是强度量，其表达式如下：

萨夫曼剪切提升力是由于流场中的速度梯度引起，其表达式为

式中：ui为流体项速度；upi为颗粒速度；v为流体的运动粘性系数；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度（骨架密度）；dp为颗粒直径；dij为变形速率张量；kc=2.594为一常数[12]。

流体涡团特征生存时间表达式如下：

式中：经验常数CL在k-ε模型中取为0.15；r为服从（0，1）区间均匀分布的随机数。

颗粒穿过流体涡团时间表达式如下：

式中：τ为颗粒松弛时间；Le为涡团特征长度标尺；|u-up|为颗粒与流体速度差。

随机轨道模型假设脉动速度服从高斯概率分布。脉动速度表达式如下：

式中：δ为服从正态分布的随机数。

对于本文选取的标准k-ε模型，脉动速度表达式如下：

经过流体与颗粒相互作用的时间间隔，颗粒终止在当前涡内的计算，并在下一个时间间隔，颗粒进入一个新的涡团，重复以上步骤获得颗粒新的速度、轨迹。当颗粒碰到壁面被捕捉或离开计算区域时，终止轨迹的计算。

2.2 边界条件

本文计算有无围墙两种模型。入口风速风剖面表示为：

式中：zb和uzb分别为参考高度和参考高度上的风速；α为地面粗糙度指数。这里取zb=10，uzb=2.0，α=0.24。

污染源排放的颗粒物颗粒密度取2000kg/m3，粒径取1μm，流量取0.003kg/s。

1）入口边界条件：速度入口；

2）出口边界条件：质量出口边界条件；

3）壁面边界条件：地面和墙面无滑移边界条件；计算域的上边界、左右边界取为对称边界，相当于滑移边界条件。

4）颗粒相边界条件：壁面为reflect边界条件；出口、入口为escape边界条件；

5）对控制方程离散格式：二阶迎风格式，simple算法非耦合计算。

3 结果分析

3.1 流场分析

图3分别是有、无围墙小区y=15m剖面速度矢量图。从中可看出无论有无围墙都会在建筑物中间区域及其后排建筑物尾部出现涡旋，并且位置基本相同。不同之处在于对于有围墙小区，因围墙对气流的阻挡及压差梯度作用在图3中位置1、2处会出现涡旋；对于无围墙小区因前排建筑物阻挡及压差作用会在图3中位置3处出现涡旋。

图3 y=15m剖面速度矢量图

图4分别是有、无围墙小区z=1.5m剖面速度矢量图。进入小区的气流在遇到建筑物后分成上下两股绕流在两栋建筑物中间和后排建筑物尾部形成涡旋。但由于围墙的阻挡作用，导致进入小区的气流在z=1.5m剖面速度矢量不同，进而影响建筑物中间区域和后排建筑物尾部的涡旋位置分布。

图4 z=1.5m剖面速度矢量图

图5分别是有、无围墙小区z=5m剖面速度矢量图。来流遇到前排建筑物分成两股绕流，因压差作用在建筑物中间区域和后排建筑物尾部形成涡旋。但由于围墙的存在影响了小区流场，涡旋的位置有所变化。

图5 小区z=5m剖面速度矢量图

3.2 浓度分析

为便于分析浓度的相对值大小，图6～图8皆采用统一比色卡。图6分别是有、无围墙小区y=15m剖面浓度分布图。对于有围墙小区，围墙对于颗粒物有很好的阻挡作用，部分颗粒物被阻挡在围墙外，导致围墙外边缘附近浓度极大；只有部分颗粒物爬墙进入小区，且因为前排建筑物阻挡，使小区内各点的浓度值皆很小。对于无围墙小区，颗粒物无阻碍地进入小区，遇到前排建筑物受到阻挡，部分颗粒物积聚在前排建筑物迎风面附近，导致前排建筑物迎风面附近区域浓度很大，部分随流体绕流或是爬墙继续进入小区内部，使两排建筑物中间和后排建筑物尾部区域浓度偏大。

图6 小区y=15m剖面浓度分布

图7分别是有、无围墙小区z=1.5m剖面浓度分布图。对于有围墙小区，因为围墙的阻挡作用，进入小区的颗粒物只是部分，所以颗粒物对小区的环境影响很小。对于无围墙小区，颗粒物无阻挡地进入小区，遇到前排建筑物随气流以绕流方式通过，绕流和压差影响使前排建筑物迎风面浓度很大，绕流区域浓度很大。后排建筑物尾部和建筑区域后部也因同样原因呈现较高浓度值。

图7 小区z=1.5m剖面浓度分布

图8分别是有、无围墙小区z=5m剖面浓度分布图。对于有围墙小区，z=5m剖面浓度值极小。对于无围墙小区只有部分区域因为压差作用等出现较高浓度值。从中可看出，随着高度的增加，交通源颗粒物对小区的影响逐渐减小。

图8 小区z=5m剖面浓度分布

4 结论

利用湍流k-ε模型及离散相模型（DPM）研究了小区外交通源（线源）排放颗粒物对小区内环境的影响。分析了小区外交通源在小区有、无围墙两种情况下对小区的影响情况，通过模拟计算结果得到如下结论：

1）围墙的存在时，对颗粒物扩散有阻挡作用。部分颗粒物爬过围墙进入小区，均匀地向小区扩散，颗粒物分布范围大，影响区域大。但所影响区域浓度相对值不会很大。

2）无围墙存在时，颗粒物因无阻挡全部进入小区。遇到前排建筑物受阻挡，所以前排建筑物受影响较大。部分颗粒物受阻挡后跟随流体发生绕流，绕流区域在建筑物附近，故造成小区左右通道中靠近建筑区域浓度较大。颗粒物跟随流体通过建筑区域后均匀扩散，在建筑物后侧因有尾涡存在，浓度也会偏大。

3）无论是否有围墙，随着高度增加，颗粒物浓度都将减小。

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Im pa c t of Tra ffic Exha us ting Pa rtic le s on Com m unity Environm e nt

QIAO Wen-jia1,HE Qi-bin2,QI Ya-ru1,LIU Yan-hua1
1 School of Human Settlements and Civil Engineering,Xi'an Jiaotong University
2 Shenzhen Institute of Building Research Co.Ltd.

In this paper,the impact of traffic exhausting particles on community environment was simulated using the standard-turbulence model and Dispersed Phased Model(DPM).The community near street which with and without fences are simulated.The results show that fences have a barrier function to particles:most of the particles accumulate nearby the area of fences outside the community for fences exist.Minority particles enter into the community,while the impact on the community environment is little.The particles will enter into the community completely for no fences exist.The community environment will be greatly impact by the traffic exhausting particles,especially the front buildings windward and bilateral area.

traffic exhausting particles,community environment,fences,DPM

1003-0344（2015）02-037-5

2013-10-12

乔文佳（1988～），男，硕士研究生；西安市咸宁西路28号西安交通大学兴庆校区人居学院（710049）；E-mail:798656402@qq.com

"十二五"国家科技支撑计划（2012BAJ09B01）；"十二五"国家科技支撑计划（2012BAJ06B03）